Chemie | Biochemie | Medizin
Simon Stuber, 2007 | Muri b. Bern, BE
Beton ist für 7 % der globalen CO2-Emissionen verantwortlich, daher wird weltweit an Alternativen geforscht. Eines dieser Forschungsprojekte ist das Lehmbetonprojekt von Dr. Ellina Bernard. Ihr Ziel ist es, aus Aushubmaterial einen giessbaren Beton herzustellen, welcher aufgrund eines geringeren Zementanteils weniger CO2 emittiert als herkömmlicher Beton. Der Lehmbeton besteht dabei aus vier Komponenten: Wasser, Aushubmaterial, Magnesiumoxid-Zement und Natriumhexametaphosphat. Diese Maturaarbeit befasst sich mit dem Mischverhältnis von Aushubmaterial zu Magnesiumoxid-Zement. Dabei werden verschiedene Mischverhältnisse hinsichtlich ihrer Biegezugfestigkeit, Druckfestigkeit, hygroskopischen Fähigkeit, Wasserresistenz und ihres Schwindverhaltens geprüft, um daraus das ideale Verhältnis abzuleiten. Die Arbeit zeigt, dass ein Mischverhältnis zwischen 10 Massen-% und 15 Massen-% MgO-Zement-Anteil die besten Eigenschaften aufweist. Mit diesem Beton könnten zweistöckige Häuser gebaut werden, welche wegen der hygroskopischen Wirkung des Betons zusätzlich die Raumluftfeuchtigkeit stabilisieren. Die CO2-Bilanz ist bei einem solchen Mischverhältnis deutlich niedriger als bei herkömmlichem Beton. Ein bisher nicht gelöstes Problem ist das erhöhte Schwindverhalten von Lehmbeton gegenüber herkömmlichem Beton.
Fragestellung
Die Maturaarbeit versuchte herauszufinden, welches Mischverhältnis von MgO-Zement zu Aushubmaterial optimal für eine breite Anwendung ist. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass es zwischen 7.5 – 15 Massenprozent liegen muss.
Methodik
Es wurden vier verschiedene Mischverhältnisse für den Lehmbeton geprüft: 0%, 7.5%, 15% und 50% MgO-Zement. Die maximale Korngrösse des Aushubmaterials betrug 2 mm, weshalb Mörtelprismen mit den Dimensionen 25mm × 25mm × 100mm hergestellt wurden. Der Wasseranteil variierte mit jeder Probe, da die Verarbeitbarkeit der Masse konstant gehalten wurde. Anschliessend erhärteten die Proben für 38 Tage und wurden anschliessend mit Hilfe einer hydraulischen Presse auf Biegezugfestigkeit und Druckfestigkeit geprüft. Mit Hilfe eines GraviSorp 120 wurde die hygroskopische Fähigkeit jeder Probe ermittelt. Zum Schluss wurde noch die Wasserresistenz und das Schwindverhalten untersucht.
Ergebnisse
Die Biegezugfestigkeit stieg mit steigendem MgO-Zementanteil, mit einem Maximum von 3.5 Megapascal. Auch die Druckfestigkeit stieg mit zunehmendem MgO-Zementanteil. Die maximale Druckfestigkeit lag bei 23 Megapascal, die anderen Proben erreichten 4, 8 und 14 Megapascal. Jede Betonprobe verfügte über eine hygroskopische Fähigkeit, welche mit steigendem MgO-Zementanteil zunahm. Die Wasserresistenz ist bei allen Proben vorhanden, ausser bei der Probe ohne MgO-Zementanteil. Das Schwindverhalten ist allgemein hoch, alle schwinden zwischen 2 und 3.5 Prozent. Eine grobe Berechnung ergab zudem, dass pro Kubikmeter Lehmbeton statt 200kg noch etwa 28kg CO2 ausgestossen werden.
Diskussion
Die Biegezugfestigkeit ist allgemein eher tief und benötigt für eine Anwendung daher Unterstützung durch (Naturfaser-)Bewehrung. Weil die geforderte Druckfestigkeit von der Grösse des geplanten Gebäudes abhängt, würde sich jede Probe eignen. Rechnet man mit 3 Megapascal pro Stockwerk, wären mit 50% MgO-Zement 7, mit 15% 3, mit 7.5% 2 und mit 0% 1 Stockwerk möglich. Da alle Proben hygroskopische Fähigkeiten aufweisen, besitzen sie alle einen Vorteil zu herkömmlichem Beton, dieser besitzt diese Fähigkeiten nicht. Das Schwindverhalten ist allgemein zu hoch, um mit herkömmlichem Beton mitzuhalten. Hier werden andere Lösungen wie das Vorfertigen von Wandmodulen benötigt. Da die Wasserresistenz bei den drei Proben mit Zement vorhanden ist, können diese Proben für fast alle Anwendungsbereiche benutzt werden. Die Probe ohne Zement sollte nicht der Witterung ausgesetzt werden.
Schlussfolgerungen
Die in der Arbeit erzielten Resultate zeigen, dass der Lehmbeton in gewissen Bereichen anwendbar ist. Die Probe mit einem MgO-Zementanteil von 50% stösst aber vergleichsweise viel CO2 aus. Dies disqualifiziert diese Probe einer sinnvollen Anwendung. Am interessantesten sind die Proben mit 7.5% und 15% MgO-Zement, diese ermöglichen den Bau von 2–3-stöckigen Häusern. Auch der Beton ohne Zement hat seine Anwendungsbereiche, so zum Beispiel im Innenraum oder für nichttragende Wände. Allgemein sind hybride Bauweisen für den Lehmbeton sehr wichtig. Trotzdem geht die Maturaarbeit von einem optimalen Mischverhältnis aus, welches zwischen 10% und 15% MgO-Zement liegt. Pro Kubikmeter würden statt 200kg etwa nur noch 28kg CO2 ausgestossen werden.
Würdigung durch die Expertin
Dr. Mareike Thiedeitz
Simon Stuber hat in seiner Maturaarbeit den Einsatz von Aushubmaterial in Kombination mit Magnesiumzement und einem Phosphat-basierten Zusatzmittel für die Nutzung als «Lehmbeton» untersucht. Betreut von der EMPA, hat er sowohl Frisch- als auch Festbetoneigenschaften analysiert, kritisch die hygroskopischen und Schwindeigenschaften des Materials beleuchtet und ein «optimales» Mischungsverhältnis von Magnesiumzement zu Aushubmaterial bestimmt. Für die derzeitige Forschung beleuchtet sein Beitrag wichtige Aspekte, womit er im Finale von «Schweizer Jugend forscht» gewürdigt wird.
Prädikat:
Gold
Sonderpreis «Summer School of Science» gestiftet von der Metrohm Stiftung
Gymnasium Kirchenfeld, Bern
Lehrer: Dr. Bernhard Edler